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Die Druckmesszelle – das Messprinzip erklärt
Dünnschichtbasierte Druckmesszellen eignen sich besonders für hohe Überlastfestigkeit, Langzeitstabilität und den Einsatz bei erhöhten Temperaturen oder Druckspitzen. Sie bilden das zentrale Messelement resistiver Drucksensoren und prägen deren Leistungsfähigkeit maßgeblich.
Der folgende Beitrag gibt einen umfassenden Überblick über das Messprinzip, den Aufbau und die Funktionsweise moderner Drucksensoren mit Fokus auf Dünnschicht-Technologie.
In der modernen Drucksensorik kommen viele unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz, die jeweils spezifische physikalische Eigenschaften sowie anwendungsabhängige Vor‑ und Nachteile aufweisen. Das resistive Messprinzip auf Basis der Dünnschicht-Technologie, gilt insbesondere dann als gut geeignet, wenn hohe Überlastfestigkeit, ausgezeichnete Langzeitstabilität sowie ein zuverlässiger Betrieb bei erhöhten Temperaturen oder unter Druckspitzen gefordert sind. Dünnschichtbasierte Druckmesszellen bilden das zentrale Messelement dieser Drucksensoren und bestimmen massgeblich deren Spezifikationen.
Technischer Hintergrund
Die Funktionsweise der Druckmesszelle
Eine Druckmesszelle bildet das zentrale Messelement eines Drucksensors. Sie wandelt den aufgebrachten Druck in ein elektrisches, weiter verarbeitbares Messsignal um und stellt damit das funktionsbestimmende Kernbauteil des Sensors dar.
Aufbau einer Druckmesszelle
Typischerweise besteht eine Druckmesszelle aus einer Messmembran, die sich unter Druckbeaufschlagung definiert verformt. Grundsätzlich werden als Membrankörper meist Metalle (Stähle) aber auch Keramiken verwendet, die sich in ihren Anwendungsgebieten unterschieden:
- Stahl: bei hohen Messbereichen und Druckspitzen
- Keramik: werden insbesondere bei der Messung korrosiver Medien gewählt
Auf dieser Membran sind resistive Widerstände in Dünnschichttechnologie aufgebracht, die in einer Wheatstone‑Brückenschaltung verschaltet sind.
Aufbau eines Drucktransmitters
Für den Aufbau eines einsatzfähigen Drucktransmitters ist neben der Druckmesszelle eine Signalaufbereitungselektronik, häufig in Form eines ASICs, erforderlich. Zusätzlich sorgt ein mechanisches Gehäuse für Schutz, Medienanbindung und die Integration in die jeweilige Anwendung.
Die Elektronik wird genutzt, um aus dem Rohsignal der Druckmesszelle ein lineares und temperaturkompensiertes Messsignal zu erzeugen. Dabei wird das Rohsignal korrigiert und verstärkt. Ausserdem ist eine Kalibration für jeden individuellen Drucktransmitter unter definiertem Druck und bei verschiedenen Temperaturen zur Ermittlung von Justagewerten üblich. Diese Werte werden im ASIC gespeichert und liefern in der Applikation unter Anwendung eines Berechnungsmodells und der Messwerte den Druckausgabewert.
Das Messprinzip im Detail
- Der anliegende Druck wirkt direkt auf die Membran
- Die Membran verformt sich proportional zum Druck (Dehnung und Stauchung)
- Auf der Membran sind Dünnschicht‑Widerstände aufgebracht, die ihren Wert bei mechanischer Verformung ändern
- Die Widerstände sind zu einer Wheatstone‑Brücke verschaltet und erzeugen ein druckabhängiges elektrisches Messsignal.
- Im drucklosen Zustand sind alle vier Widerstände etwa gleich groß, die Wheatstone‑Brücke ist im Gleichgewicht und liefert ein Ausgangssignal nahe 0.
- Bei Druckbeaufschlagung verformt sich die Membran:
- Zwei Widerstände werden gedehnt → Widerstand steigt
- Zwei Widerstände werden gestaucht → Widerstand sinkt
- Diese Widerstandsänderungen heben das Brückengleichgewicht auf und erzeugen eine Differenzspannung, die proportional zum anliegenden Druck ist.
- Das Rohsignal dient als Eingangssignal für die nachgelagerte kundenseitige Elektronik
- Die Druckmesszelle selbst stellt das primäre Messelement dar. Die Normalisierung, Linearisierung und Temperaturkompensation des Signals erfolgen in der nachgeschalteten Elektronik des Drucktransmitters
Arten von Drucksensoren
Grundsätzlich gibt es im industriellen Umfeld gewöhnlich 3 Arten von Drucksensoren:
- Relativdrucksensoren: Weisen den einfachsten Aufbau auf: Das Messmedium wirkt auf der Druckseite der Membran, während auf der Rückseite der Atmosphärendruck als Referenz anliegt.
- Absolutdrucksensoren: Bei Absolutdrucksensoren ist die Rückseite der Messmembran gegenüber der Umgebung isoliert; der Referenzraum ist evakuiert und stellt ein definiertes Vakuum (0 bar absolut) dar
- Differenzdrucksensoren: Im Unterschied zur Relativdruckmessung kann auf der Rückseite ebenfalls ein Prozessmedium anliegen, was erhöhte Anforderungen an Abdichtung und Konstruktion stellt.
Typische Fragestellungen
Was ist der maximale Druckbereich?
Typische Werte für unsere Druckmesszellen sind 2 … 2000 bar
Was ist die tiefste Einsatztemperatur?
-40 °C
Was ist die obere Temperaturgrenze?
150°C
Wie viele Lastzyklen schafft die Druckmesszelle?
Typischerweise mehr als 1 Million Lastzyklen
Was ist der Bezugsdruck bei der Relativdruckmessung?
Der Atmoshpärendruck
Was ist der Unterschied zwischen Dünnschicht und Dickschichtdruckmessezellen?
Dickschicht‑Druckmesszellen
Bei Dickschicht‑Druckmesszellen bildet eine Keramikmembran den Grundkörper. Die Messwiderstände werden mittels Siebdruckverfahren direkt auf die Membran aufgedruckt. Gedruckte Schichten besitzen eine porösere Struktur und eine rauere Oberfläche als Dünnschichten. Die typischen Schichtdicken liegen im Bereich von mehreren Mikrometern. Da Keramik nicht mit dem Prozessanschluss verschweißt werden kann, ist zur Medientrennung eine zusätzliche Dichtung erforderlich. Je nach Hersteller decken Keramik‑Dickschicht‑Drucksensoren typische Druckbereiche von etwa 2 bis 100 bar ab.
Dünnschicht‑Druckmesszellen
Dünnschicht‑Druckmesszellen – auch Metall‑Dünnfilm‑Druckmesszellen genannt – basieren auf einer metallischen Membran, auf die die Widerstände mittels Sputterverfahren abgeschieden werden. Das Dünnschichtverfahren erzeugt einen dichten, homogenen und planaren Schichtaufbau auf atomarer Ebene. Die Schichtdicken liegen typischerweise zwischen 50 und 500 nm. Dieser Aufbau macht die Sensoren besonders robust gegenüber Vibrationen und Schockbelastungen. Der Stahl‑Grundkörper kann direkt mit dem Prozessanschluss verschweißt werden, wodurch keine zusätzliche Dichtung notwendig ist. iST Senstech Dünnschicht‑Druckmesszellen werden vorwiegend für hohe Druckbereiche von 2 bar bis zu 2’000 bar eingesetzt
Warum ist nur Relativdruckmessung möglich mit der Dünnschicht -Druckmesszelle
Dünnschicht‑Druckmesszellen sind konstruktiv in erster Linie für die Relativdruckmessung ausgelegt. Der Grund dafür liegt im grundlegenden Aufbau der Sensorelemente: Für eine Absolutdruckmessung müsste auf der Rückseite der Membran ein dauerhaft stabiles Referenzvakuum erzeugt und hermetisch eingeschlossen werden. Die Umsetzung eines solchen Vakuumraums auf einer metallischen Dünnschichtmembran ist konstruktiv sehr aufwendig.
Zudem werden Absolutdrucksensoren häufig in sehr kleinen Druckbereichen eingesetzt. In diesen Bereichen ist die mechanische Dehnung der eher dicken Membran sehr gering, was in der Regel nicht zu einem ausreichend hohen Sensorsignal führt. Auch für die Verwendung für die Differenzdruckmessung ist das Sensorsignal aus diesem Grund zu gering.
Typische Fehlerquellen
- Unzureichende Reinigung vor der Ausführung der Verbindungstechnik Löten, Bonden usw.
- Mechanisches Zerkratzen der Dünnschichtoberfläche
- Zu hohe Temperaturen beim Aufschweissen im Bereich der DMS
Zusammenfassung
Druckmesszellen sind das zentrale Messelement moderner Drucksensoren und wandeln den anliegenden Druck über die Verformung einer Membran in ein elektrisches Rohsignal um. In Kombination mit einer Signalaufbereitung (z. B. ASIC) entstehen daraus linearisierte und temperaturkompensierte Ausgangssignale für industrielle Anwendungen. Aufgrund des zugrunde liegenden Messprinzips sind Dünnschicht Druckmesszellen primär für die Relativdruckmessung geeignet.
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